Hvaða áhrif hefur óvissulögmál Heisenbergs haft á heimsmynd vísindamanna?

Svar

Óvissulögmál Heisenbergs segir fyrir um það til dæmis að margfeldi af óvissunni í stað og skriðþunga tiltekinnar agnar í ákveðna stefnu sé alltaf stærra en tiltekið lágmark. Þess vegna er ógerlegt að ákvarða báðar stærðirnar í senn án óvissu. Þetta breytir hugmyndum vísindanna um hreyfingu, orsakir og löggengi. Mikilvægt er að gera sér ljóst að lögmálið fjallar ekki um tæknilega örðugleika í mælingum, heldur um eðli veruleikans sjálfs; ógerlegt er að komast hjá óvissunni.

---

Werner Heisenberg setti fram óvissulögmálið sem við hann er kennt árið 1927. Hann gerði sér grein fyrir þeirri óvæntu staðreynd að ögn sem lýst er á skammtafræðilegan hátt hefði pör eiginleika sem gætu ekki samtímis haft nákvæmlega ákvörðuð gildi. Ekki er hægt að segja að óvissulögmálið eitt og sér hafi á einni nóttu breytt heimsmynd vísindamanna en það var svo sannarlega einn þáttur í þeirri þróun sem átti sér stað í upphafi 20. aldarinnar og breytti viðhorfum margra vísindamanna, aðallega eðlisfræðinga, til raunveruleikans og til vísindanna sjálfra.

Það dæmi sem oftast er tekið til að lýsa óvissulögmálinu fjallar um hraða eða skriðþunga annars vegar og hins vegar staðsetningu agnar sem lýst er með skammtafræði. Lögmálið segir að þetta par eiginleika sé ekki ákvarðað með fullri nákvæmni; stærðfræðilega séð verður margfeldi óvissu þessara tveggja þátta alltaf að vera stærra en ákveðin tala. Þetta þýðir að ef staðsetning agnarinnar er vel skilgreind, þá verður óvissan í hraða hennar að sama skapi meiri. Á sama hátt gildir að ef hraðinn er vel skilgreindur þá er minna hægt að segja um staðsetningu agnarinnar.

Sumir rugla óvissulögmálinu saman við óvissu í mælingum; að séum ófær um að ákvarða eiginleika skammtafræðilegra agna vegna þess að þær mæliaðferðir sem við ráðum yfir eru ekki nægilega nákvæmar eða þá að mælingin trufli kerfið sem verið er að mæla. Þetta er hins vegar ekki allskostar rétt; óvissulögmálið segir að veruleikinn búi yfir ákveðinni óvissu, óháð því hversu nákvæm mælitæki við getum búið til.

Nota má frumeindina sem dæmi. Í vetnisfrumeind halda rafkraftar saman neikvætt hlaðinni rafeind og jákvætt hlöðnum kjarna. Við vitum að staðsetning rafeindarinnar er nokkurn veginn ákvörðuð, hún er einhvers staðar innan þess geisla sem við köllum stærð frumeindarinnar. Við vitum líka að rafeindin yfirvinnur aðdráttarkraft kjarnans ef hraði hennar verður of mikill og þá sundrast frumeindin. Af óvissulögmálinu má draga þá ályktun að staðsetning rafeindarinnar innan atómsins verði að vera óviss sem nemur stærð þess, annars yrði óvissan í hraða hennar of mikil og hún sliti sig lausa frá kjarnanum fyrr eða síðar. Þannig getum við dregið ályktanir af óvissulögmálinu þrátt fyrir að engin mæling komið við sögu.

Hér er einnig komið dæmi um það hvernig óvissulögmálið hefur breytt heimsmynd vísindanna. Við þekkjum öll myndir úr skólabókum þar sem rafeindir í frumeindum eru sýndar á hringsóli umhverfis kjarnann á vel skilgreindum umferðarbrautum, á svipaðan hátt og pláneturnar í sólkerfinu ferðast umhverfis sólina. Þessi skýring stenst ekki í skammtafræðinni: ef braut rafeindanna væri vel skilgreind þá væri hraði þeirra mjög breytilegur og frumeindin gæti ekki haldist lengi í heilu lagi. Ein haldbærasta leiðin sem fundist hefur til að lýsa hegðun rafeindarinnar felst í að ákvarða líkur þess að hún sé á ákveðnum stað á ákveðnum tíma; staðsetning hennar er því alltaf óviss upp að vissu marki. Í stað umferðarbrauta koma líkindaföll sem eru nokkurs konar ský mögulegra staðsetninga.

Margir áttu erfitt með að sætta sig við þá hugmynd að eðlisfræðin þyrfti að byggja á líkum frekar en staðreyndum, og þar á ofan að eina leiðin til að skýra eðli raunveruleikans væri með illskiljanlegum kenningum. Í tímans rás hafa vísindamenn þó sætt sig við þessar og margar aðrar nýstárlegar hugmyndir, og nú eru kenningar sem ganga þvert á heilbrigða skynsemi orðinn eðlilegur þáttur í nútíma vísindum. Eðlisfræðingurinn Richard Feynman sagði til dæmis að enginn hefði nokkru sinni skilið skammtafræði, en hann fékk þó Nóbelsverðlaun fyrir störf sín í greininni árið 1965.